智能座艙人機(jī)交互發(fā)展趨勢(shì)

摘要：作為汽車(chē)智能化的重要組成部分，智能座艙的感覺(jué)體驗(yàn)是最直接的，近年來(lái)，其智能化程度在肉眼上有所增加。未來(lái)智能座艙將發(fā)展成為我們的第三大生活空間?！按笮腿咔鍞?shù)字儀表盤(pán) + 大型高清浮游娛樂(lè)中的大屏幕控制”已不能滿足部分汽車(chē)企業(yè)的胃口，汽車(chē)屏幕、副駕駛座娛樂(lè)屏幕增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)明顯。智能飛屏、車(chē)機(jī)聯(lián)動(dòng)功能不斷擴(kuò)展，物理按鍵交互逐漸取代，與娛樂(lè)化的結(jié)合越來(lái)越緊密。除了駕駛艙娛樂(lè)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人機(jī)交互、駕駛員監(jiān)控、乘員狀態(tài)檢測(cè)等之外，基于感知了解駕駛艙內(nèi)外場(chǎng)景，為駕駛艙或用戶提供更多場(chǎng)景、新服務(wù)、可以提供一種新的人機(jī)交互方式。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)智能化；智能座艙；人機(jī)交互；發(fā)展趨勢(shì)

作者：李函遙王馨郁淑聰

1、引言

目前，汽車(chē)不僅在動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式和駕駛體驗(yàn)上發(fā)生了變化，駕駛艙也告別了傳統(tǒng)的枯燥機(jī)械和電子空間，智能化水平飆升，成為繼家庭和辦公室以外人們生活之后的“第三空間”。通過(guò)人臉；指紋識(shí)別、語(yǔ)音 / 手勢(shì)交互、多屏聯(lián)動(dòng)等高新技術(shù)，使當(dāng)今汽車(chē)智能座艙在環(huán)境感知、信息采集和處理方面的能力顯著增強(qiáng)，成為人類(lèi)駕駛的“智能助手”。智能座艙告別簡(jiǎn)單的電子化，進(jìn)入智能助理階段的顯著標(biāo)志之一是人與駕駛艙的相互作用從被動(dòng)式進(jìn)入主動(dòng)式，這種“被動(dòng)的”和“主動(dòng)的”是以駕駛艙本身為中心定義的。過(guò)去的信息交流主要由人發(fā)起，現(xiàn)在人和機(jī)器都可以啟動(dòng)，人和機(jī)器的交互水平已經(jīng)成為定義智能座艙產(chǎn)品水平的重要標(biāo)志。

2、人機(jī)交互發(fā)展背景

從電腦與手機(jī)的歷史可以折射出機(jī)械與人互動(dòng)方法的發(fā)展脈絡(luò)，并從繁雜到單純簡(jiǎn)約從抽象的動(dòng)作到自然的互動(dòng)。未來(lái)最主要的人機(jī)交互發(fā)展趨勢(shì)，便是將機(jī)械由被動(dòng)響應(yīng)進(jìn)入了主動(dòng)式交互。沿著這種趨勢(shì)的延長(zhǎng)線來(lái)看，人與機(jī)器相互作用的終極目標(biāo)是將機(jī)器擬人化，使人與機(jī)器的相互作用像人與人的交流一樣自然順暢。也就是說(shuō)，人機(jī)交互的歷史就是人從適應(yīng)機(jī)器到通過(guò)機(jī)械適應(yīng)人的歷史。智能座艙的發(fā)展也有類(lèi)似的過(guò)程。隨著電子技術(shù)的進(jìn)展和車(chē)主的期望，汽車(chē)內(nèi)外的電子信號(hào)和功能也越來(lái)越多，以便讓車(chē)主降低對(duì)注意力資源的浪費(fèi)，從而降低行車(chē)分氣，汽車(chē)互動(dòng)方法也因此而逐步改變：物理旋鈕 / 鍵盤(pán)——數(shù)字觸摸屏——語(yǔ)言操控—自然狀態(tài)互動(dòng)。

2.1 自然交互是下一代人機(jī)交互方式的理想模型

2.1.1 什么是自然交互？簡(jiǎn)而言之，即通過(guò)動(dòng)作、目光追蹤、語(yǔ)言等實(shí)現(xiàn)交流。這里的意識(shí)模態(tài)更具體地說(shuō)類(lèi)似于人的 " 感知 "，其形態(tài)中混合著各種感知，并對(duì)應(yīng)了人的視野、聆聽(tīng)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等五大感知。相應(yīng)的信息介質(zhì)包括各種傳感器，例如聲音、視頻、文字和紅外、壓力、雷達(dá)。智能汽車(chē)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)載人機(jī)器人，其最關(guān)鍵的二個(gè)功能就是自己控制的以及與人互動(dòng)的功能，沒(méi)有其中之一，將無(wú)法高效的工作于人。所以，一種智慧的人機(jī)交互系統(tǒng)是十分必要的。

2.1.2 自然交互的實(shí)現(xiàn)方式座艙內(nèi)融合了越來(lái)越多的傳感器，傳感器提高了形態(tài)多樣化、數(shù)據(jù)豐富性和準(zhǔn)確性的能力。一方面使駕駛艙內(nèi)的計(jì)算力需求飛躍，另一方面也提供了更好的感知能力支持。這一趨勢(shì)使更豐富的駕駛艙場(chǎng)景創(chuàng)新、更好的互動(dòng)體驗(yàn)成為可能。其中，視覺(jué)處理是駕駛艙人機(jī)交互技術(shù)的關(guān)鍵。而且融合技術(shù)才是真正王道，比如在嘈雜條件下的語(yǔ)音識(shí)別時(shí)，光靠麥克風(fēng)是沒(méi)有的。人在這種情況下能選擇性地聽(tīng)某人講話，不僅靠耳朵，還靠眼睛。因此，通過(guò)視覺(jué)上確定音源并閱讀唇語(yǔ)，能夠得到比單純的聲音識(shí)別更好的效果。如果傳感器是人的五感，那么計(jì)算力便是一個(gè)自動(dòng)交互的人腦，AI 算法把視覺(jué)與語(yǔ)音結(jié)合到一起，通過(guò)各種認(rèn)知方法，能夠進(jìn)行人臉、動(dòng)作、姿態(tài)、語(yǔ)音等多種信號(hào)的辨識(shí)。由此，可以實(shí)現(xiàn)更智能的人的目標(biāo)交互，包括眼球追蹤、語(yǔ)音識(shí)別、口語(yǔ)識(shí)別聯(lián)動(dòng)和駕駛員的疲勞狀態(tài)檢測(cè)等。座艙人員交互的設(shè)計(jì)通常需要通過(guò)邊緣運(yùn)算，而非云運(yùn)算來(lái)完成。三點(diǎn)：安全性、實(shí)時(shí)性和隱私安全性。云計(jì)算依賴于網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于智能汽車(chē)來(lái)說(shuō)，依賴于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)無(wú)法保證其連接的可靠性。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸延遲不可控，不能保證交互平滑。要確保面向自動(dòng)運(yùn)行安全域的完整用戶體驗(yàn)，破局之道在于邊緣計(jì)算。但是，個(gè)人信息安全也是面臨的問(wèn)題之一。駕駛室內(nèi)的私密空間，安全性保障方面尤為明顯?，F(xiàn)在的個(gè)性化聲音識(shí)別主要都是依靠在云上實(shí)現(xiàn)的，里面的聲紋等私人生物信息能夠更方便的顯示私人身份信息。而利用在汽車(chē)端的邊緣 AI 設(shè)計(jì)，就能夠把圖片、聲音等私人生物信息，轉(zhuǎn)變成汽車(chē)語(yǔ)義信息，再上傳到云端，從而有效地保障了汽車(chē)的個(gè)人信息安全。

2.1.3 自動(dòng)駕駛時(shí)代，交互智能必須跟駕駛智能相匹配在可預(yù)期的未來(lái)，無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行將成為一個(gè)長(zhǎng)期存在的現(xiàn)象，座艙的無(wú)人機(jī)交互成為人掌握主動(dòng)飛行技能的第一個(gè)界面。目前，智能駕駛領(lǐng)域面臨進(jìn)化不均衡的問(wèn)題，人機(jī)交互水平落后于自動(dòng)駕駛水平的提升，造成自主行車(chē)問(wèn)題的頻出，阻礙自動(dòng)駕駛的發(fā)展。人機(jī)交互合作行為的特點(diǎn)是人的操作回路上。所以，人機(jī)交互功能必須和自動(dòng)駕駛功能保持一致。否則將導(dǎo)致嚴(yán)重的預(yù)期功能安全風(fēng)險(xiǎn)，絕大多數(shù)自動(dòng)駕駛致命事件與此有關(guān)。一旦人機(jī)交互接口可以提供自己行車(chē)的認(rèn)知結(jié)果，可以進(jìn)一步了解自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的能量邊界這將大大有助于提高 L + 級(jí)自動(dòng)駕駛功能的接受度。當(dāng)然，目前智能座艙的交互方式主要是手機(jī)安卓生態(tài)的延申，主要是通過(guò)主機(jī)屏幕支持。現(xiàn)在的顯示器也越來(lái)越大，而這其實(shí)是由于低優(yōu)先級(jí)的功能占用了高優(yōu)先功能的空間，帶來(lái)額外的信號(hào)干擾，影響運(yùn)行安全。在未來(lái)，雖然實(shí)物顯示屏仍然存在，但我相信在未來(lái)，取而代之的將是自然人機(jī)交互+AR-HUD。如果把智能駕駛系統(tǒng)發(fā)展到 L四以上，人將從枯燥疲勞的駕駛中解放出來(lái)，汽車(chē)也將成為 " 人的第三生活空間 "。這樣，未來(lái)駕駛室內(nèi)的娛樂(lè)區(qū)和安全功能區(qū)（人機(jī)交互和自動(dòng)操縱）的位置會(huì)進(jìn)行改變，安全區(qū)則變成為主控制區(qū)。自動(dòng)駕駛是汽車(chē)與環(huán)境的互動(dòng)，人與人的互動(dòng)是人與汽車(chē)的互動(dòng)，兩者融為一體，完成人、車(chē)、環(huán)境三者的協(xié)同，形成完整的駕駛閉環(huán)。第二，自動(dòng)對(duì)話方式+AR-HUD 的對(duì)話界面更加安全，在用語(yǔ)言或者手勢(shì)溝通的情形下，可以避免對(duì)駕車(chē)者視線的轉(zhuǎn)移，從而提高了行駛安全。在駕駛艙大屏幕上根本就無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，而 ARHUD 則能夠在顯示自動(dòng)行駛感知信號(hào)的同時(shí)規(guī)避了這一問(wèn)題。第三，自然交談方法是一個(gè)隱性的、簡(jiǎn)潔的、具有感情的自然交談方法。你不能過(guò)分占有車(chē)?yán)飳氋F的物理空間，但你可以隨時(shí)隨地陪伴自在者周?chē)?。所以，未?lái)智慧行車(chē)和智慧駕駛艙的域內(nèi)結(jié)合是一種更加安全的發(fā)展方式，最后發(fā)展的是汽車(chē)中央的系統(tǒng)。

2.2 人機(jī)交互實(shí)戰(zhàn)原理2.2.1 觸控交互早期的中控臺(tái)屏幕只是顯示收音機(jī)的信息，大部分面積都容納了超多的物理交互按鈕，這些按鈕基本上都是通過(guò)觸覺(jué)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)與人類(lèi)的溝通。隨著智能交互的發(fā)展，出現(xiàn)了中央控制的大屏幕，物理交互按鈕開(kāi)始逐漸減少。中控大屏幕越來(lái)越大，占據(jù)越來(lái)越重要的位置。中控臺(tái)的物理按鍵已經(jīng)減少到?jīng)]有了，此時(shí)乘員已經(jīng)無(wú)法用觸覺(jué)與人進(jìn)行交互，但在這個(gè)階段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐曈X(jué)交互，人們不再用觸覺(jué)與人進(jìn)行溝通，而是主要用視覺(jué)進(jìn)行操作。但如果只用視覺(jué)與智能座艙的人類(lèi)進(jìn)行對(duì)話，人們將絕對(duì)不方便。特別是在駕駛過(guò)程中，90% 的人類(lèi)視覺(jué)注意力必須投入到路況的觀察中，才能長(zhǎng)期將視線投入到畫(huà)面之上，與智能座艙對(duì)話。

2.2.2 語(yǔ)音交互（1）語(yǔ)音交互的原理。自然語(yǔ)音的理解——語(yǔ)音識(shí)別——語(yǔ)音轉(zhuǎn)化語(yǔ)音。（2）語(yǔ)音交互需要的場(chǎng)景。語(yǔ)音控制的場(chǎng)景應(yīng)用主要有二個(gè)要素，一是能夠代替在觸摸屏上沒(méi)有提示的功能，與人機(jī)界面自然對(duì)話，二是最小化了人機(jī)界面手動(dòng)控制所帶來(lái)的影響，提高安全性。第一，當(dāng)你下班回家的時(shí)候，你想在開(kāi)車(chē)的過(guò)程中快速控制車(chē)輛，查詢信息，查詢空調(diào)、座椅等。在長(zhǎng)途旅行中，中途調(diào)查服務(wù)區(qū)和加油站，調(diào)查日程。第二個(gè)是用語(yǔ)音把一切鏈接起來(lái)。車(chē)上的音樂(lè)、子屏幕娛樂(lè)都能迅速喚起。所以我們要做的就是快速控制車(chē)輛。首先就是對(duì)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)快速操控，基本功能包括調(diào)整車(chē)內(nèi)氛圍燈光、調(diào)整音量、調(diào)控車(chē)內(nèi)空調(diào)溫度控制、調(diào)節(jié)窗戶、調(diào)節(jié)后視鏡，快速控制車(chē)輛的本意是讓駕駛員更快速地控制車(chē)輛，減少注意力分散有助于增加安全運(yùn)行系數(shù)。遠(yuǎn)程語(yǔ)言交互是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的重要入口，因?yàn)橄到y(tǒng)必須了解司機(jī)的語(yǔ)音指令，提供智能導(dǎo)航。我們不但能夠被動(dòng)接受任務(wù)，而且還能夠?yàn)槟峁╆P(guān)于目的地介紹和日程安排等的附加服務(wù)。接著，是車(chē)輛和駕駛員的監(jiān)視，在實(shí)時(shí)運(yùn)行中，能夠隨時(shí)詢問(wèn)輪胎壓力、箱的溫度、冷卻劑、發(fā)動(dòng)機(jī)油等車(chē)輛的性能和車(chē)輛的狀態(tài)。實(shí)時(shí)信息查詢有助于駕駛員提前處理信息。當(dāng)然到達(dá)警戒臨界點(diǎn)的時(shí)候也要實(shí)時(shí)注意。除了對(duì)內(nèi)監(jiān)控外當(dāng)然也需要對(duì)外監(jiān)控，生物識(shí)別和語(yǔ)音監(jiān)控的混合監(jiān)控可以監(jiān)控駕駛員的情緒。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候提醒駕駛員打起精神來(lái)避免交通事故的發(fā)生。以及長(zhǎng)時(shí)間行駛的疲勞聲音的注意事項(xiàng)。最后，在多媒體娛樂(lè)方面，開(kāi)車(chē)的場(chǎng)景、播放音樂(lè)和廣播是最高頻的操作和需求。除了簡(jiǎn)單的播放、暫停、歌曲切換等功能外，還等待著收藏、賬號(hào)注冊(cè)、播放歷史的開(kāi)啟、播放順序的切換、現(xiàn)場(chǎng)互動(dòng)等個(gè)性化功能的開(kāi)發(fā)。2.2.3 容納錯(cuò)誤語(yǔ)音對(duì)話中必須允許容錯(cuò)機(jī)制?；镜娜蒎e(cuò)也按場(chǎng)景進(jìn)行處理。一是聽(tīng)不懂，此時(shí)讓用戶再說(shuō)一遍，二是聽(tīng)了但沒(méi)有處理問(wèn)題的能力，三是識(shí)別為錯(cuò)誤信息，這可以再確認(rèn)。

2.2.4 人臉識(shí)別（1）人臉識(shí)別的原理。駕駛艙的人臉特征識(shí)別技術(shù)一般包含以下三方面：人臉特征檢查、模式識(shí)別。隨著互聯(lián)網(wǎng)整體信息的生物化，多平臺(tái)輸入人臉信息，汽車(chē)作為萬(wàn)物互聯(lián)的一個(gè)重點(diǎn)，隨著更多移動(dòng)終端使用場(chǎng)景移動(dòng)到車(chē)內(nèi)，賬戶注冊(cè)、身份認(rèn)證需要在車(chē)內(nèi)進(jìn)行。（2）人臉識(shí)別使用場(chǎng)景。行駛前，必須上車(chē)驗(yàn)證車(chē)主信息，注冊(cè)應(yīng)用 ID。行走中，面部識(shí)別是行走中閉眼疲勞的主要工作場(chǎng)景，電話提醒，無(wú)眼前，打哈欠。單純的相互作用可以讓駕駛員更不方便。例如，僅憑語(yǔ)音，容易發(fā)生誤指令、單純觸摸操作，駕駛員無(wú)法滿足 3 秒的原則。只有語(yǔ)音、手勢(shì)、視覺(jué)等多種交互方式融合在一起，智能系統(tǒng)才能更加準(zhǔn)確、方便、安全地在各種場(chǎng)景中與駕駛員進(jìn)行溝通。

2.3 人機(jī)交互挑戰(zhàn)與未來(lái)

2.3.1 人機(jī)交互的挑戰(zhàn)理想的自然互動(dòng)是從使用者感受入手，創(chuàng)造安全、順暢、可預(yù)見(jiàn)的互動(dòng)感受。但不管人生如何豐富，總要腳踏實(shí)地的從事實(shí)出發(fā)，目前的挑戰(zhàn)依然很多。目前自然交互的誤認(rèn)仍然很?chē)?yán)重，全工況、全天候的可靠性、準(zhǔn)確性還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，在手勢(shì)辨識(shí)中，依靠視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別率目前仍很低，所以必須研發(fā)各種算法來(lái)提高辨識(shí)的精度與速率。無(wú)意中打手勢(shì)，或許會(huì)被人誤認(rèn)為是命令動(dòng)作，但其實(shí)這只是無(wú)數(shù)誤認(rèn)之一，在移動(dòng)情況下，對(duì)光線的投射、振動(dòng)、遮擋等都是重大技術(shù)的問(wèn)題。因此，配合運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)景，采用多傳感器融合驗(yàn)證方式、聲音確認(rèn)等方式，為了降低誤識(shí)別率，需要綜合性地加持各種技術(shù)手段。其次，目前自然交互的流暢性問(wèn)題仍是當(dāng)前必須克服的困難，要求更先進(jìn)的傳感器、更強(qiáng)大的能力、更高效率的計(jì)算。同時(shí)，自然的語(yǔ)言處理能力與意圖表達(dá)還處在起步階段，還需算法技術(shù)的深入研究。2.3.2未來(lái)，座艙人機(jī)交互走向虛擬世界與情感連接消費(fèi)者愿意為汽車(chē)移動(dòng)之外附加的智能化功能買(mǎi)單的原因之一是對(duì)話和體驗(yàn)。我們?cè)谏厦嫣岬剑磥?lái)智能座艙的發(fā)展是以人為本的，它將在人們的生活中演化為第三個(gè)空間。這種人機(jī)交互絕不是簡(jiǎn)單的呼叫響應(yīng)，而是多渠道、多級(jí)、多模式的交流感覺(jué)。從乘員視角，未來(lái)的智能座艙人機(jī)交互系統(tǒng)將以智能語(yǔ)言為主要交流手段，并以觸摸、手勢(shì)、動(dòng)態(tài)、表情等為輔助交流手段，解放乘員手與眼睛，以減少駕駛員操控風(fēng)險(xiǎn)。隨著駕駛艙內(nèi)傳感器的增加，人機(jī)交互服務(wù)對(duì)象以駕駛員為中心向全車(chē)乘客服務(wù)轉(zhuǎn)移是一種確定性趨勢(shì)。智能座艙構(gòu)建虛擬空間，人與人的自然互動(dòng)將帶來(lái)全新的沉浸式擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)娛樂(lè)體驗(yàn)。強(qiáng)大的配置，結(jié)合駕駛艙強(qiáng)大的互動(dòng)設(shè)備，可以構(gòu)建車(chē)內(nèi)的元宇宙，提供各種沉浸式游戲。智能座艙可能是原太空的好載體。

人機(jī)的自然互動(dòng)也帶來(lái)情感上的聯(lián)系，駕駛艙成為人的伴侶，更智能的伴侶，學(xué)習(xí)車(chē)主的行為、習(xí)慣、偏好，感知駕駛艙內(nèi)的環(huán)境，結(jié)合車(chē)輛當(dāng)前的位置，在需要時(shí)積極提供信息和功能提示。隨著人工智能的發(fā)展，在我們有生之年，有機(jī)會(huì)看到人類(lèi)的情感聯(lián)系逐漸滲透到我們的個(gè)人生活中，確保技術(shù)向善，也許是那時(shí)我們必須面對(duì)的另一個(gè)重大問(wèn)題。但無(wú)論如何，技術(shù)都會(huì)朝這個(gè)方向發(fā)展。

3、智能座艙人機(jī)交互總結(jié)

在當(dāng)前慘烈的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中，人工智能座艙系統(tǒng)已然變成了實(shí)現(xiàn)整機(jī)廠功能差異性的關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)轳{駛艙人機(jī)交互系統(tǒng)和人的交流行為、語(yǔ)言文化等都息息相關(guān)，所以需要高度本地化。智能車(chē)輛人機(jī)交互是中國(guó)智能車(chē)輛企業(yè)品牌升級(jí)的重要突破口，是中國(guó)智能車(chē)輛科技引導(dǎo)世界技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的突破口。這些相互作用和相互作用的整合，未來(lái)將提供更全面的沉浸體驗(yàn)，繼續(xù)推動(dòng)新的互動(dòng)方式和技術(shù)的成熟，期望從目前的體驗(yàn)提升功能演化為未來(lái)智能座艙的必備功能。未來(lái)智能座艙交互技術(shù)無(wú)論是基本安全需求還是更深層次的歸屬感、自我實(shí)現(xiàn)心理需求，都有望涵蓋多種多樣的出行需求。